科學人雜誌 9月號/ 2021 第235期：化電流為...

意識電流

新近研究發現，藉由腦中電極刺激不同區域的神經元，能顯示出產生意識經驗的腦圖譜。

撰文／柯霍（Christof Koch）
翻譯／謝伯讓

試著進入以下情境：
• 前方數公里外有暴風雨，但你必須翻山而過並穿越它。你問自己：「我該如何在暴風雨中翻山而過？」
• 你在黑色背景上看到一個小白點，宛如在黑夜中看見星星一般。
• 你從上方俯視躺在床上的自己，只見到自己的雙腳和軀幹。

這些情境很像來自日常意識經驗中的感覺、記憶、思想和夢境，事實上，它們都是透過腦中電極直接刺激大腦所產生的。一如美國詩人惠特曼（Walt Whitman）在其詩中的直覺描述：「我唱出了身體中的電流」，這些情境描繪出身體和靈魂的親密關係。大腦和意識彼此相連，就像是硬幣的兩面。

最近的臨床研究已發現意識活動的某些定律和規則，這些發現有時令人十分困惑。有研究指出，和意識知覺有關的腦區其實和思考、計畫及其他高階認知功能關係不大。神經科學工程師現在正設法把這些知識轉化成技術，以取代受損的認知功能，並企圖在較遠的未來用以強化感覺、認知或記憶能力。例如最近的一項腦機介面研究，就讓全盲的病人得以有限度感知光線。然而，這些工具也顯示出完全恢復視覺或聽力的困難度。如果你想要像科幻劇情那樣把大腦當成電腦硬碟來存取並達成強化知覺，這些研究結果甚至凸顯出其中一些可能障礙。

電流與身體

神經系統的運作，是在具有開關元件的高密度與高連結網路中傳遞電流。過去兩個半世紀以來，已有無數物理學家和科學家投入研究這個問題，其中最早一位就是18世紀末把電線接上剛死亡的青蛙的義大利醫師嘎爾

凡尼（Luigi Galvani）。在雷暴雨中，他把電線朝向天空，結果蛙腿在每一次閃電時都會跳動。嘎爾凡尼的研究顯示出神經纖維可以傳遞「動物電流」，這在本質上和1752年美國科學家富蘭克林（Benjamin Franklin）透過風箏實驗所發現的「大氣電流」相同。1802年，嘎爾凡尼的外甥阿爾蒂尼（Giovanni Aldini）在公開場合中使用電來刺激一位被斬首犯人的裸露大腦，結果發現他的下巴顫動，還張開一隻眼睛。這場公開展示可能就是英國文學家瑪莉．雪萊（Mary Shelley）創作經典哥德小說《科學怪人》的靈感來源。

後續的動物研究顯示，以電刺激特定腦區可引發特定肌肉和肢體動作。這些研究導致1870年代發現運動皮質。1874年，美國醫師巴瑟羅（Robert Bartholow）在意識清楚的病人身上首次以電刺激大腦。這是一項充斥倫理爭議的開拓研究，因為它讓病人感受到痛苦，而且可能加速病人的死亡。接下來數十年顱內電刺激（iES）技術逐漸改進，1930 ~1950年加拿大蒙特婁神經學研究所的神經外科醫師潘菲德（Wilder Penfield）進行了一項開拓研究，他以顱內電刺激技術繪製出腦中負責動作或感覺功能的區域，這項技術也因此變成了神經外科醫師的標準工具之一。

有些癲癇病人無法透過藥物控制發作頻率或嚴重程度。如果這些病人癲癇發作的源頭是在大腦皮質的可界定範圍中（大腦皮質位於大腦最外層，負責感覺、動作控制、語言、理解等認知功能）或是鄰近腦中結構（例如海馬回），神經外科手術就成了控制癲癇發作的選項。不受控制的大腦過度活躍起因於腦區連結錯誤，這些異常神經活動會增強甚至影響整個大腦運作。醫師很難決定該摘除多少腦組織：摘除過少無法去除癲癇，摘除過多則會導致病人喪失視覺、說話能力或行走能力。外科醫師必須避開那些負責日常行為的重要皮質區域，例如主要聽覺、視覺、體感覺、運動皮質，以及負責理解和說話的腦區，也就是所謂說話中樞（eloquent cortex）。顱內電刺激可用來找出應該保留哪些腦組織。醫師會把圓盤狀的電極植入頭顱中，置於堅硬的硬腦膜（dura mater）下，又或者在灰質中植入細針般的電極以探測該區的功能。在醫師找到癲癇發作的源頭時就可取出電極，然後以手術摘除該組織，病人通常就不再癲癇發作......

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